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Posté par Michel le Lundi 21/11/2011 à 00:00
Vidéo: un nouveau matériau façonnable à chaud comme du verre
Planches à voile, avions et circuits électroniques ont tous en commun de contenir des résines utilisées pour leur légèreté et leur résistance. Mais, une fois durcies, elles ne peuvent plus être refaçonnées. Seuls quelques composés minéraux, tel le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus...), offraient pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) cette possibilité. Associer ces atouts dans un même matériau semblait irréalisable, jusqu'à ce que l'équipe de Ludwik Leibler, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...) au Laboratoire « Matière molle et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...) » (CNRS/ESPCI ParisTech) et Professeur associé à l'ESPCI, conçoive une nouvelle classe de composés capable de ce tour de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...). Réparable et recyclable, ce matériau inédit est façonnable, de manière réversible et à volonté, à haute température. Et de façon surprenante, il conserve également certaines propriétés propres aux résines organiques ou aux caoutchoucs: il est léger, insoluble et difficilement cassable. Peu coûteux et facile à fabriquer, il pourrait intervenir dans de nombreuses applications industrielles, notamment dans l'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est...), l'aéronautique, le bâtiment, l'électronique et les loisirs. Ces travaux ont été publiés le 18 novembre 2011 dans Science.


Remplacer des métaux par des matériaux plus légers mais aussi performants est une nécessité pour de nombreuses industries, comme l'aéronautique, l'automobile, le bâtiment, l'électronique et l'industrie du sport. De par leurs exceptionnelles propriétés de résistance mécanique, thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur...) et chimique, les matériaux composites à base de résines thermodurcissables sont pour l'instant les plus à même de remplir ce rôle. Mais il est nécessaire de cuire ces résines in situ, avec d'emblée la forme définitive de la pièce à réaliser. En effet, une fois ces résines durcies, le soudage et la réparation deviennent impossibles. De plus, même à chaud, il est inimaginable de refaçonner une pièce à la manière du forgeron ou du verrier.

Car le verre (silice inorganique) est une matière unique: une fois chauffé, il passe d'un état solide à un état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) de façon très progressive (transition vitreuse), ce qui permet de le façonner à volonté sans avoir recours à des moules. Parvenir à concevoir des matériaux très résistants qui puissent se réparer et être malléables à l'infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou en taille.), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme le verre, est un véritable enjeu à la fois économique et écologique. Il faudrait un matériau capable de s'écouler à chaud tout en étant insoluble et qui n'aurait ni la fragilité, ni la « lourdeur » du verre.


Différentes formes possibles de ce matériau
© CNRS Photothèque / ESPCI / Cyril FRÉSILLON

Partant d'ingrédients disponibles et utilisés dans l'industrie (résine époxy, durcisseurs, catalyseurs…), les chercheurs du Laboratoire « Matière molle et chimie » (CNRS/ESPCI ParisTech) ont créé un nouveau matériau organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) constitué d'un réseau moléculaire aux propriétés inédites: ce réseau est capable, sous l'action de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), de se réorganiser sans changer le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de liens entre les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...). Ce matériau inédit passe de l'état liquide à l'état solide ou inversement, comme le verre. Jusqu'à présent, seule la silice et quelques composés minéraux étaient connus pour ce type de comportement. Ce nouveau matériau s'apparente donc à de la silice complètement organique. Il est insoluble même à chaud au-dessus de sa température de transition vitreuse.


Séquence montrant le façonnage d'un objet de forme complexe par application de déformations et échauffements successifs.
© CNRS Photothèque / ESPCI / Cyril FRÉSILLON

De façon remarquable, à température ambiante, il ressemble, selon la composition choisie, à des solides durs ou bien à des solides élastiques mous. Dans les deux cas, il présente les mêmes qualités de légèreté, résistance et insolubilité que les résines thermodurcissables ou les caoutchoucs actuellement utilisés en industrie. Surtout, par rapport à ces derniers, il offre l'avantage d'être façonnable à volonté, réparable et recyclable sous l'action de la chaleur. Cette propriété permet de lui faire subir des transformations par des procédés qui ne sont envisageables ni pour les résines thermodurcissables, ni pour les matières plastiques classiques. Elle permet notamment d'obtenir des formes d'objets qui sont difficiles ou impossibles à obtenir par moulage ou pour lesquels la réalisation d'un moule s'avère trop coûteuse pour la fabrication envisagée.

Utilisé comme base de composites, ce nouveau matériau pourrait ainsi favorablement concurrencer les métaux et trouver de larges applications dans des secteurs aussi divers que l'électronique, l'automobile, la construction, l'aéronautique ou l'imprimerie. Au-delà de ces applications, ces résultats apportent un éclairage inattendu sur une problématique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.): la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) de la transition vitreuse.

Ces travaux ont notamment bénéficié du soutien du CNRS, de l'ESPCI ParisTech ainsi que du groupe Arkema (Arkema est un groupe français du secteur de la chimie.).


Une bande de matériau est déformée dans un four. Les contraintes de torsion (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés agissant dans des plans parallèles.) que subit ce matériau, sont facilement visualisables par des couleurs très vives sous lumière polarisée. Ces couleurs disparaissent en quelques minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain...) à chaud: le matériau a adopté une nouvelle forme de manière permanente.
© CNRS Photothèque / ESPCI / Cyril FRÉSILLON


Référence:

Silica-like malleable materials from permanent organic networks. Damien Montarnal, Mathieu Capelot, François Tournilhac and Ludwik Leibler. Science. 18 novembre 2011.


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Source: CNRS